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(1)

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(2)

공학석사학위논문

초고속 주행 시 고속열차 상부커버의 공기저항 저감 방법에 대한 수치적 연구

Numerical Study of Aerodynamic Drag Reduction Method for Roof Cover of Korean High-speed Train

2013 년 2 월

서울대학교 대학원

기계항공공학부

조 준 호

(3)

초고속 주행 시 고속열차 상부커버의 공기저항 저감 방법에 대한 수치적 연구

Numerical Study of Aerodynamic Drag Reduction Method for Roof Cover of Korean High-speed Train

지도교수 이 동 호

이 논문을 공학석사 학위논문으로 제출함

2012 년 10 월

서울대학교 대학원

기계항공공학부

조 준 호

조준호의 공학석사 학위논문을 인준함

2012 년 12 월

위 원 장 : ______________________

부위원장 : ______________________

위 원 : ______________________

(4)

I

초 록

열차 상부의 커버는 팬터그래프, 애자와 같은 상부의 복잡한 형상 을 보호하기 위해 필요하지만 상부 주변의 유동에 영향을 주어 고 속열차의 공기저항을 변화시킨다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 고속열차의 상부 커버 주변의 유동을 분석하여 상부 커버에 의한 열차의 공기저항의 변화에 대해 알아보았다. 수치 해석에 사용된 열 차 모델은 고속열차 HEMU-430x 6량 차량 모델로써 상부 커버가 적 용된 모델이다. 상부커버 주위의 유동은 커버 측면을 통해 내부로 유동이 유입되며 커버 전반부 끝단을 통해 유동이 외부로 유출된다.

이로인해 커버 주변의 공기의 흐름을 변화하였고 이는 열차에 작용 하는 전체 항력이 증가하는 원인으로 작용하였다. 열차에 작용하는 공기저항 감소를 목적으로 상부 커버의 형상을 변형시키며 수치해 석을 수행하였다.

Key Words: High-speed train, Computational fluid dynamics, roof cover, Aerodynamic drag, Surface pressure

학 번: 2011-20756

(5)

II

목 차

초 록 ... Ⅰ 목 차 ... Ⅱ

1. 서론 ... 1

1.1 연구 동기 ... 1

1.2 연구 배경 ... 3

1.3 연구 목적 및 내용 ... 4

2. 수치해석 기법... 5

2.1 지배방정식 ... 5

2.2 CFD 해석을 위한 수치적 접근방법 ... 6

2.2.1 HEMU-430x 격자 생성... 6

2.2.2 해석기법 ... 8

3. CFD 수치해석검증 ... 9

3.1 HEMU-430x 상부커버 표면압력측정 시험 ... 9

3.2 측정 데이터와 CFD 수치해석 결과 비교 ... 11

4. 해석결과 및 분석 ... 13

4.1 단순커버 형상에 대한 분석... 13

4.1.1 커버 주위 유동 특성... 13

4.1.2 커버 형상 변형에 따른 공기저항 변화 ... 16

4.2 HEMU-430x 전체 형상에 대한 분석 ... 19

4.2.1 상부커버 형상 변형 ... 19

4.2.2 형상변형에 따른 공기저항 변화 ... 21

4.2.3 차량 별 공기저항 비교 ... 23

4.2.4 해석 결과 분석 ... 25

5. 결론 ... 28

참고 문헌 ... 29

Abstract... 30

(6)

１

1. 서론

연구 동기 1.1

빠르고 편리한 교통수단으로 접근성이 좋은 고속열차에 대한 연 구는 세계 각국에서 활발하게 이루어지고 있다. 최근의 고속열차의 연구동향은 고속열차의 최고속도를 높여 고속화 하는 추세이다. 고 속열차의 주행속도는 1960 년대의 시속 200km/h 의 신간센을 시작으 로 최근에는 레일열차의 경우 574.8km/h, 자기부상열차의 경우

581km/h를 달성하였다.[1]

국내에서는 KTX 나 KTX-Ⅱ의 경우 시속 300km/h 에서 운용되고 있고, 현재 개발중인 차세대 고속열차 HEMU-430x 는 430km/h 의 최 고시험속도, 400km/h 의 최고속도를 목표로 개발되고 있다. 열차의 주행속도가 증가하게 되면 열차에 작용하는 주행저항 역시 증가하 게 된다. 그 중 공기저항은 열차의 속도의 제곱에 비례하여 증가하 여 주행속도가 증가할수록 총 주행저항 중 차지하는 비율이 증가하 게 된다. HEMU-430x의 최고속도인 400km/h에서 주행저항중 공기저 항이 차지하는 비율은 약 80%이상이다.[2] 그러므로 열차의 고속주 행을 위한 증속화 연구에 있어서 공기저항을 감소시키려는 노력은 필수적이라고 볼 수 있다.

고속열차의 공기저항은 전두부 및 후미부 외부형상, 객차 연결부,

(7)

２

팬터그래프 시스템, 열차의 단면적 및 표면 면적, 그리고 열차의 하 부형상 등의 열차의 외부형상에 의해 대부분 결정된다. [3,4] 고속열 차의 주행 시 유동에 영향을 미치는 상부구조물에는 전력공급을 위 한 팬터그래프 시스템과 애자 등이 있다. 팬터그래프 시스템의 경우 에는 공력소음감소와 장치보호를 위해 커버를 이용하여 장치주변의 고속유동을 제어하기도 한다.[5] HEMU-430x 은 팬터그래프 커버 2 개 이외에도 애자를 보호하기 위한 커버가 추가로 3 개 설치되어 있 어서 열차 상부에 총 5 개의 커버가 존재한다. 하지만 열차 상부의 복잡한 형상의 장치들을 보호하기 위한 커버들도 열차 주변의 유동 에 영향을 주고, 열차 전체의 공기저항을 변화시킨다. 따라서 열차 의 공기저항을 증가시킬 것으로 예상되는 커버 주위에 대한 유동을 분석하여 열차의 공기저항에 미치는 영향에 대한 분석이 필요할 것 으로 판단된다.

(8)

３

연구 배경 1.2

고속열차의 경우 열차의 지붕 위쪽의 가선에서 전력을 공급받기 위한 집전장치가 위치하게 된다. 집전장치, 즉 팬터그래프 시스템은 비행기의 동체와 같은 형상인 유선형의 매끈한 차체의 윗부분에 돌 출되어 공기저항과 공력소음을 야기하기 때문에 주로 커버를 이용 하여 복잡한 형상을 보호한다. 팬터그래프를 통하여 공급받은 전력 을 다른 차량으로 분배해주기 위해 열차의 지붕에는 고압선과 애자

(insulator)들이 위치하게 되고, 열차의 상부의 고압선과 애자들 또한

열차의 공력특성을 변화시킨다.

HEMU-430x 의 경우 동력분산식 고속열차로써 지붕 위 고압선과

애자 들이 기존의 동력집중식 고속열차와는 다른 구성으로 배치되 어 있다. 특히 HEMU-430x 열차의 경우 애자 주변에도 커버를 설치 하였기 때문에 열차 중간에 커버가 추가적으로 설치되어 있다. 상부 커버는 열차의 차체의 형상을 변화시키고 단면적을 증가시키기 때 문에 그 자체에 의해서도 고속열차의 공력성능을 변화시키게 된다.

팬터그래프 시스템 주변의 커버만 존재하던 기존의 KTX, KTX 산천 열차와 달리 객차 중간에 추가적인 애자커버가 설치된 HEMU-430x 열차는 그 공력 특성이 기존 열차와는 다르게 나타날 것으로 예상 된다.

(9)

４

연구 목적 및 내용 1.3

본 연구에서는 상부커버가 HEMU-430x 열차 공기저항에 미치는 영향을 분석하고 열차의 공력성능을 향상시키기 위해 상부 커버 주 위 유동을 전산수치해석을 통해 분석하였다. HEMU-430x 상부 압력 측정실험 결과를 바탕으로 본 연구에서 수행하는 전산수치해석의 타당성 검증을 검증하고, 전산수치해석 결과를 바탕으로 상부커버 주위 유동 특성을 파악한다. HEMU-430x 의 공력성능을 향상시키기 위해 상부커버의 형상 변형을 수행하며 전산수치해석을 통한 공기 역학적 분석과 커버의 각 설계변수에 따른 공기저항 변화에 대한 평가를 그 목적으로 한다.

(10)

５

2. 수치 해석 기법

지배방정식 2.1

지배 방정식으로는 비압축성 3 차원 Navier-Stokes 방정식을 이용 하였으며, 난류모델은 K-w 모델링을 이용하였다. 지배 방정식을 임 의의 제어체적(Control Volume)에 대하여 직교 좌표계(Cartesian)로 나 타내면 다음과 같다.

+ [ − ] ∙ = 0

여기서 보존량 W와 플럭스 벡터 F와 G는 다음과 같다.

W =

F =

+ ̂ + ̂ +

G = 0

여기서 ρ, υ, p, τ 는 각각 밀도, 속도, 압력 그리고 점성 응력 텐 서를 나타낸다.

(11)

６

CFD 해석을 위한 수치적 접근방법 2.2

HEMU-430x 격자 생성 2.2.1

전산수치해석에는 두가지 모델을 사용하였다. 커버 주위유동 분석 및 공력성능 향상을 위한 열차 일부와 상부커버만을 포함하는 단순 한 모델과 커버가 열차 전체에 미치는 공기저항을 분석하기 위한 팬터그래프와 애자 보기 등을 모두 포함한 HEMU-430x 열차 전체 모델이다. 복잡한 열차 및 상부 구조물의 형상을 잘 표현하기 위해 비정렬 격자(Unstructured Grid)를 사용하여 격자를 생성하였다. 곡면 에 격자를 집중적으로 집어넣어 형상이 변하는 곡면에서의 유동 변 화를 효과적으로 모사할 수 있도록 하였다. 열차 표면과 지면에서의 경계층의 영향을 고려하기 위해 10 층으로 구성된 26mm 두께의

Boundary prism mesh 를 생성하였다.[7] 열차 전체 모델의 경우 실제

주행상황을 모사하기 위해 너비, 높이, 길이가 각각 300m, 80m, 750m 인 해석공간을 구성하였고, 이때 Blockage ratio 는 6.17E-4 으로 경계 조건이 열차주위 유동에 미치는 영향을 최소화하였다. 해석에 이용 된 격자 수는 총 1370만개로써 Fig.1과 같이 구성되었다.

(12)

７

Figure 1 HEUM-430x 해석격자 및 경계조건

(13)

８

해석기법 2.2.2

고속 주행하는 열차에서 커버 주위 유동의 공력특성을 파악하기 위해서는 열차의 3 차원 형상을 정확히 모사하여 수치해석을 수행해 야 한다. 이를 위해서 복잡한 외부형상에 맞는 정밀한 격자를 생성 하고 지배방정식을 푸는 작업이 필요하다. 지배방정식을 풀기 위해 서는 해석 코드를 개발하여야 하고 반드시 해석코드에 대한 검증을 거쳐야 한다. 본 연구와 같이 3 차원의 복잡한 형상에 대하여 해석 코드를 개발하는 과정은 많은 시간과 노력이 필요하다. 따라서 전산 수치해석을 효과적으로 수행하기 위해 상용 유체해석 프로그램인

Ansys Fluent를 사용하였다. 또한 정확한 공기저항 예측을 위해 압축

성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였고, 난류모델은 SST k-omega

model 을 사용하였다. [6] 고속 주행시 커버 주변의 유동특성을 분석

하기 위해 열차 주행속도를 HEMU-430x 의 최고시험속도인 430km/h

(Ma=0.3442)로 해석을 수행하였다. 실제 열차가 지면에 근접하여 주

행하는 상황을 모사하기 위해 이동 지면 조건을 선택하였다.

(14)

９

3. CFD 수치해석검증

HEMU-430x 상부커버 표면압력측정 시험

3.1

전산수치해석의 타당성을 검증하기 위해 HEMU-430x 상부커버 표 면 압력 측정실험을 진행하였다. 열차 상부에 압력측정 및 무선 전 송 시스템을 설치하고 열차 내부에 무선 수신 시스템을 구성하여 열차 상부에서 측정한 압력을 기록하였다.

표면압력 측정지점은 예비 수치해석을 통해 압력이 급격히 변하 는 지점 등으로 선정하였고, 압력을 측정하기 위해 무선 압력전송 시스템을 Figure2 와 같이 구성하였다. 실험을 유선으로 진행하지 않 은 이유는 애자커버와 DAQ 사이의 길이가 멀기 때문이다. 유선을 사용하였을 경우 긴 케이블을 사용할 수밖에 없고 열차의 길이방향 으로 설치된 고압케이블의 영향으로 Noise 발생 우려가 있다. 또한 유선케이블을 고정하기위한 고정용 브라켓을 차체에 용접할 수 없 어 케이블을 고정하기 어렵기 때문에 무선으로 데이터를 전송하는 무선시스템을 구성하였다. 또한 무선 데이터 전송시스템을 구성하여 실험 장비의 구성이 간단해지고 계측장비 설치 위치의 자유도가 높 아진다는 장점을 얻었다.

(15)

１０

Figure 2 상부커버 표면압력측정실험 무선데이터 측정장비

(16)

１１

측정 데이터와 CFD 수치해석 결과 비교 3.2

전산수치해석의 타당성을 검증하기 위해 애자커버 표면에서 측정 한 압력을 압력계수(Coefficient of Pressure: Cp)로 환산하여 전산수치 해석 결과와 비교 하였다. 전산 수치해석에 사용한 모델은 HEMU- 430x 의 팬터그래프 및 애자 보기 등을 모두 포함한 모델을 사용하 여 해석을 수행하였다. 수치해석 검증에 Cp 값을 사용한 이유는 실 험으로 얻은 표면압력 데이터는 주행속도 236km/h 에서 얻은 결과이 고, 수치해석 결과는 주행속도 300km/h 이상에서 해석한 결과이기 때문이다. 압력측정 위치는 Figure 3 에서와 같이 4개의 지점에서 측 정하였다.

커버 중간 Symmetry 지점에서 Cp 그래프와 4 군데의 압력측정 지 점에서의 Cp 를 비교한 결과를 Figure 4 에 나타내었다. 4 개의 측정 지점 중 1, 2, 4 번 측정 지점에서 압력은 해석결과와 실험결과가 일 치하는 결과를 얻었다. 하지만 3 번 측정 지점에서의 해석결과는 실 험결과와 일치하지 않는데 이는 3 번 측정지점의 위치가 커버 전반 부 끝부분에 위치하여 해석에 사용된 커버가 실제 커버보다 약간 단순화된 형태를 사용하였기 때문으로 판단된다. 비교 결과 대부분 의 측정 지점에서의 해석결과와 실험결과가 비교적 잘 일치하였기 때문에 해석결과가 타당하다고 판단할 수 있다.

(17)

１２

Figure 3 애자커버 압력측정 지점

Figure 4 표면압력 비교 그래프

(18)

１３

4. 해석결과 및 분석

단순커버형상에 대한 분석 4.1

커버 주위 유동 특성 4.1.1

단순형상 모델을 해석하여 커버 주위 유동을 분석하였다. 커버 주 위 유동은 전반부에서 유동이 가속하며 압력이 낮아지고, 후반부에 서 유동이 감속하며 압력을 회복한다. 커버 주위 유선을 보면 커버 외부를 흐르는 유동의 Total Pressure는 운동에너지에서 압력에너지로 의 변환만 이루어지기 때문에 거의 손실이 없고, 커버 내부로 유동 이 유입되면 Total Pressure를 급격히 손실하게 된다.

Figure5 의 커버 외부 유동을 보면 커버 표면을 따라 흐르는 유동

의 일부가 커버 내부로 유입되는데 주로 커버 측면을 통해서 유입 되는 것을 확인할 수 있다. 내부로 유입된 유동은 Figure 6 에서 와 같이 전반부, 중간 그리고 후반부 쪽에서 순환하다가 커버 전반부 끝단을 타고 외부 유동과 섞여 외부로 유출되는 것을 확인할 수 있 다.

(19)

１４

Figure 5 커버 외부 Streamline (color: Total Pressure)

(20)

１５

Figure 6 커버 내부 Streamline (color: Total Pressure)

(21)

１６

커버 형상 변형에 따른 공기저항 변화 4.1.2

커버의 측면으로부터 내부로 유입되는 공기를 차단하기 위해 커 버 측면의 공기유입을 차단하기 위한 형상변형을 수행하였다. 기본 형상의 커버를 바탕으로 측면에 삼각형 모양의 막을 설치하였을 경 우(TC-2, TC-3)와 평판 형태의 막을 설치하였을 경우(TC-4, TC- 5) 그리고 상부커버를 100% 막았을 경우(TC-6)를 Table 1 에 비 교하였다. 측면에 삼각형 모양의 막을 설치하였을 경우에는 2.7~7.2%의 공기저항 저감 효과를 보였고, 평판 형태의 막을 설치 한 경우는 22~32%의 공기저항 저감 효과를 보였다. 마지막으로 상 부커버 위를 100% 막았을 경우 64%의 공기저항이 저감되는 효과 를 보였다.

CASE Cover C

D

_ (%) TC-1 (base) 0.0208 -

TC-2 0.0202 -2.7 TC-3 0.0193 -7.2 TC-4 0.0162 -21.9 TC-5 0.0142 -31.8 TC-6 0.0075 -64.0

Table 1 커버 형상 별 공기저항

(22)

１７

공기저항이 감소하는 원인을 파악하기 위해 중앙에서의 압력분포 를 Figure 8 과 같이 그래프로 비교해 보았다. 커버 상부 전체를 막 은 경우를 제외한 커버 일부만 막은 경우의 압력그래프는 커버 전 반부를 따라 압력이 감소하다가 커버 중앙에서 압력을 급격히 낮아 지고, 커버 후반부를 따라 낮아진 압력을 회복하는 경향을 보인다.

이때 커버 전반부와 후반부 표면 압력 차이가 커버에서의 공기저항 을 발생시키는 주요 원인이다. 따라서 커버 후반부에서 보다 많은 압력을 회복 할수록 공기저항은 작아지게 된다. Figure 8 그래프에 서 커버를 더 많이 막아줄수록 커버 후반부에서 압력을 더 많이 회 복하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 커버 내부로 유입되는 공기를 많이 차단할수록 커버의 공기저항 저감 효과가 있다고 판단된다.

Figure 7 상부커버 형상 변형

(23)

１８

유동 방향

Figure 8 커버 형상 별 압력 그래프

(24)

１９

HEMU-430x 전체 형상에 대한 분석 4.2

상부커버 형상 변형 4.2.1

커버가 열차 전체에 미치는 공기저항을 분석하기 위한 팬터그래 프와 애자 보기 등을 모두 포함한 HEMU-430x 열차 전체 모델을 사 용해 해석을 수행하였다. 기존 KTX 와 KTX 산천에도 있는 팬터그 래프 커버 2 개를 제외하고 시제차량 HEMU-430x 에서 애자를 보호 하기 위해 추가로 설치된 3 개의 커버의 형상을 변형해보며 전산수 치해석을 진행하였다. 앞선 해석을 통해 분석한 상부커버 주위 유동 특성을 바탕으로 커버 공력성능을 향상시키기 위해 다양한 형상의 커버를 설계하였고, 전산수치해석을 통해 공력성능을 비교하였다.

커버 내부로 유동 유입을 막는 커버 덮개 및 내부막 등을 설치하 여 역압력구배를 발생지점을 늦춰 유동의 재순환영역을 줄여보도록 하였다. 또한 커버 시작지점 고압영역을 줄이기 위해 애자커버 형상 을 단순화 하였고, 애자커버의 길이와 높이를 변화시켜가며 공력특 성 변화를 확인하였다. 변경된 커버의 형상을 Figure 9에 나타내었다.

(25)

２０

Figure 9 상부 커버 형상변형 (HEMU-430x 전체 해석 시)

(26)

２１

형상변형에 따른 공기저항 변화 4.2.2

전산해석을 수행한 결과 430km/h 로 주행 시 기본형상인 시제차량

(case0)의 공기저항계수 C_D 는 0.7358 이고 커버 형상변화에 다른 공

기저항 계수(C_D)를 Figure 10 에 나타내었다. 이를 기준으로 변형된

커버형상에 따른 공기저항을 비교해보면 커버를 모두 제거하였을 때(case1)는 3.8%의 공기저항이 감소한다. 이때 특히 커버에서 발생 하는 공기저항의 93%가 압력저항으로 점성저항에 의한 영향은 크지 않다고 볼 수 있고 이는 상부커버의 형상설계가 중요하다는 것을 의미한다.

또한 상부커버 상부 덮개를 설치하였을 때(case2)는 5.4%의 공기 저항이 감소하여 가장 좋은 공력특성을 보인다. 애자커버 내부 막을 설치하였을 경우는 공기저항이 1.2% 증가한 결과를 보였다. 형상변 형으로는 튀어나온 틈을 제거하였을 경우 0.3% 공기저항이 증가하 였는데 이는 거의 변화가 없다고 볼 수 있다. 상부커버 길이와 높이 등을 변형하였을 경우 커버 길이는 줄어들면 공기저항은 증가한다.

커버 길이가 줄어들면서 열차 단면적이 늘어나는 구간은 감소하지 만 단면적이 급격하게 변하고 압력이 커버 앞에서 급격히 높아져 전체 공기저항은 증가하게 된다. 따라서 커버 길이를 25% 감소시켰 을 때 3.9%의 공기저항이 증가하고, 길이를 50% 감소시키면 공기저 항은 7.8%가 증가하게 된다. 커버 높이를 낮춘 경우는 공기저항이

(27)

２２

감소하게 되는데 높이를 15% 감소시키면 공기저항은 1.2%가 감소한 다. 만일 커버 내부 구조물의 배치를 수정하여 높이를 낮출 수만 있 다면 상부커버의 높이를 더 낮춘다는 공기저항 저감 효과는 더 커 질 것으로 예상된다.

Figure 10 커버 형상변화에 다른 공기저항 계수(CD)

(28)

２３

차량 별 공기저항 비교 4.2.3

공기저항 저감효과가 뚜렷하게 나타나는 case1 과 case2 의 차량별 공기저항을 기본형상과 비교해 보면 Figure 11 과 같다. 첫번째 차량 의 공기저항 보다 마지막 차량의 공기저항이 약간 더 크고, 두번째 차량의 공기저항이 가장 크게 나타나는데 이는 2 번째 차량에 팬터 그래프 커버와 애자 커버가 모두 장착되어있기 때문이다.

Case1(애자커버 제거 시)의 경우 M3&2, TC 차량에서 공기저항 감

소하고, M4 차량의 공기저항 약간 증가하였다. M1 차량 공기저항 약 간 감소하고, MC 공기저항 변화가 없다는 것을 확인할 수 있다. 이 는 MC 선두 주행이기 때문에 첫번째 차량의 공기저항이 변화 없다 는 것은 타당하다고 볼 수 있다. Case2(상부덮개 설치 시)의 경우

M3&2 차량과 TC 차량에서 공기저항 감소하고, M4, M1 차량의 공기

저항 역시 약간 감소하였다. 그리고 마찬가지로 MC 공기저항 변화 없다는 것을 확인할 수 있다.

(29)

２４

Figure 11 차량별 공기저항

(30)

２５

해석 결과 분석 4.2.4

기본형상(case0)과 애자커버 제거 시(case1), 상부커버 덮개 설치 시(case2)를 비교하였다. 각각의 case 에서의 상부커버와 객차틈의 표 면 압력분포를 Figure 12~14에 나타내었다. 공기저항 감소 원인을 분 석해 보면 객차 틈 영향이 감소하여 압력손실이 적어진 점과 커버 상부를 막으면서 커버에서의 압력손실이 줄어들기 때문이다.

Case1 에서 M4 의 공기저항 증가한 원인을 분석해 보면 애자커버

제거로 인해 상부 구조물이 그대로 노출되어 구조물 앞쪽 압력 급 격히 증가한다. 또한 커버 후반부의 경사면의 제거로 인해 객차틈으 로 들어가는 유동이 줄어들게 된다. 객차 틈내 유동이 열차 주위를 흐르는 유동과 섞이지 않는 lid-driven cavity 유동 특성을 보이게 되 며 객차 틈내 압력이 낮아져서 틈 앞쪽 차량(M4) 공기저항은 커진 다. 이 효과는 M1 차량에서도 마찬가지로 나타난다. Case2 에서 M4, M1 의 공기저항 감소한 원인은 애자커버 후반부 압력 회복량을 기 본형상과 비교해보면 기본 형상일 때 압력 회복이 덜 되는 것을 확 인할 수 있고, 이는 기본형상일 때 더 큰 공기저항이 발생하였다는 것을 확인할 수 있다.

(31)

２６

Figure 12 커버 및 객차틈 주위 압력 분포 (case 0)

(32)

２７

Figure 14 커버 및 객차틈 주위 압력 분포 (case 2)

Figure 13 커버 및 객차틈 주위 압력 분포 (case 1)

(33)

２８

5. 결론

본 연구에서는 초고속열차 HEMU-430x 에 설치된 상부 커버가 주 위 유동에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 상부커버 주위를 흐르는 외부 유동이 상부커버 측면을 통해 Cavity 내부로 유입되고, 상부커 버 전반부 끝단에서 내부유동이 외부유동과 섞이며 Cavity 외부로 유출되는 것을 확인하였고, 상부 커버 형상 변화에 따른 공기저항 변화를 분석한 결과 측면에서 커버 내부로 유입되는 공기를 차단할 수록 공기저항 저감효과가 커지는 것을 확인하였다.

다양한 형상의 상부 애자커버의 공력성능을 확인하기 위해 시제 차 상부 애자커버 표면 압력 측정 실험과 전산수치해석을 진행하였 다. 현재 시제차에 설치되어있는 상부 애자커버를 장착하게 되면 커 버를 장착하지 않은 경우보다 공기저항이 3.9% 증가한다는 것을 확 인하였고, 커버 상부 덮개를 설치하였을 때 공기저항이 5.4% 감소하 는 것을 확인하였다. 커버를 모두 제거하는 것 보다 기존에 설치된 커버의 성능을 향상시키는 것이 공기역학적으로 더 우수하다는 것 을 확인하였다. 특히 커버에서 발생하는 공기저항의 93%가 압력저 항으로 점성저항에 의한 영향은 크지 않다고 볼 수 있고 이는 상부 커버의 형상설계가 중요하다는 것을 의미한다.

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Abstract

Roof covers are needed to protect the complex shape such as pantograph and insulators. However, they affect the flow around the upper part of the train and change the aerodynamic drag of the train. In this study, the flow around the upper part of the train is analyzed and the aerodynamic drag variation is investigated by numerical simulation. The train model used for the numerical simulation is 6-car model of HEMU-430x, Korean Next Generation High speed train under development, which the roof covers are applied to.

The flows around the roof cover get into the inside of cover through side of cover and it get outside through the end of first half of cover. It cause highly complicated flow pattern as a result increase the aerodynamic drag of the whole train. This paper analysis various type of roof cover to reduce the aerodynamic drag of train.

Key Words: High-speed train, Computational fluid dynamics, roof cover, Aerodynamic drag, Surface pressure

Student Number: 2011-20756